農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)及其在灌溉管理中的應(yīng)用

來源：互聯(lián)網(wǎng)   發(fā)布日期：2011-10-05 21:05:49   瀏覽：113511次  

專家系統(tǒng)（Expert System）是人工智能的一個分支，它的不精確推理、知識庫和推理機分離以及自我學習等特性使它能很好地處理一些非確定型或非結(jié)構(gòu)化的復雜問題，被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育等領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)在作物管理及病蟲害防治方面已有較多的應(yīng)用，而在節(jié)水灌溉管理方面運用專家系統(tǒng)還處于起步階段。灌溉農(nóng)業(yè)是世界上最大的消耗性用水戶之一，它的優(yōu)化管理可以節(jié)省大量的水資源。我國水資源十分缺乏，且分布不均，均，尤以北方地區(qū)為甚，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)勢在必行。多年來我國在節(jié)水灌溉技術(shù)及理論方面進行了廣泛而深入的研究，取得了很多成果，但農(nóng)民的整體素質(zhì)還不高，科技成果的推廣面小，轉(zhuǎn)化率低。在灌溉農(nóng)業(yè)中，專家系統(tǒng)可提高先進科研成果的轉(zhuǎn)化率，推動節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展，因而有很廣闊的應(yīng)用前景。
　　1 專家系統(tǒng)的發(fā)展概況
　　專家系統(tǒng)是用基于知識的程序設(shè)計方法建立起來的計算機系統(tǒng)，它綜合集成了某個特殊領(lǐng)域的專家的知識和經(jīng)驗，能像人類專家那樣運用這些知識，通過推理模擬人類專家做出決定的過程，來解決人類專家才能解決的復雜問題。專家系統(tǒng)由知識庫、推理機、知識獲取、解釋界面等四部分組成，知識庫和推理機是它的核心。建立知識庫的關(guān)鍵是如何表示知識，推理機用于確定不精確推理的方法，解釋界面是用戶的一個窗口，能夠處理各種咨詢問題。
　　20世紀60年代中期，美國斯坦福大學的DENDRAL計劃以及麻省理工學院的MACSYMA計劃開始研制首批專家系統(tǒng)，一直持續(xù)到70年代中期，較為完善地提出了專家系統(tǒng)的含義。從60年代到80年代的20多年里，專家系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學、地質(zhì)、生物化學、故障診斷、工程、數(shù)學問題求解、教育、軍事等領(lǐng)域，取得了很大的進步。進入80年代，人們對專家系統(tǒng)有了新的認識，專家系統(tǒng)研究進入高速發(fā)展階段，也出現(xiàn)了許多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)，如Ha1．Lemmon于1986年開發(fā)的棉花生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)， Plant等人1989年開發(fā)的農(nóng)業(yè)管理專家決策支持系統(tǒng)， Srinvasan等人開發(fā)的ESIM灌溉管理專家系統(tǒng)，S．Saputro l991年開發(fā)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空中漂移物專家系統(tǒng)（研究噴灑農(nóng)藥對環(huán)境的影響），這些專家系統(tǒng)在實際應(yīng)用中收到很好的效果。
　　國內(nèi)于20世紀70年代末期開始研究專家系統(tǒng)，80年代初期開始研究農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)。1980年浙江大學與中國農(nóng)科院蠶桑所合作，開始研究蠶育種專家系統(tǒng)；1983年中國科學院合肥智能研究所與安徽農(nóng)科院合作，開發(fā)砂姜黑土小麥施肥專家系統(tǒng)。90年代，國際上舉辦了多次有關(guān)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的會議，我國專家系統(tǒng)的研究更是蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了許多農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，如小麥高產(chǎn)技術(shù)專家系統(tǒng)（余華等，1996），水果果形判別人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)（劉禾等，1996），基于規(guī)則和圖形的蘋果、梨病蟲害診斷及防治專家系統(tǒng)（王愛茹等，1999），農(nóng)業(yè)資源高效利用技術(shù)集成專家系統(tǒng)的設(shè)計（李道亮，1999），生態(tài)農(nóng)業(yè)投資項目外部效益評估的專家系統(tǒng)（范大路，1999），基于作物生長特征的作物栽培專家系統(tǒng)（柴毅，1999），基于生長模型的小麥管理專家系統(tǒng)（曹衛(wèi)星等，1999）等。這些農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)促進了農(nóng)業(yè)科技成果的應(yīng)用與推廣。
　　2 專家系統(tǒng)的開發(fā)方式
    起初，專家系統(tǒng)主要采用不同的高級程序語言（如PASCAL、FORTRAN、C等）或人工智能語言（如LISP、PROLOG等）開發(fā)，專家系統(tǒng)的各個部分的鏈接和調(diào)試都比較繁瑣，對于不熟悉計算機語言的工程師，建立專家系統(tǒng)將是很困難的。20世紀80年代初，根據(jù)專家系統(tǒng)知識庫和推理機分離的特點，研究人員把已建成的專家系統(tǒng)中的知識庫“挖”掉，剩余部分作為框架，再裝入某一領(lǐng)域的專業(yè)知識，構(gòu)成新的專家系統(tǒng)。在調(diào)試過程中，只需檢查知識庫是否正確即可。在這種思想指導下，產(chǎn)生了建立專家系統(tǒng)的工具，或稱專家系統(tǒng)開發(fā)工具、專家系統(tǒng)外殼、利用專家系統(tǒng)開發(fā)工具，某領(lǐng)域的專家只需將本領(lǐng)域的知識裝入知識庫，經(jīng)調(diào)試修改，即可得到本領(lǐng)域的專家系統(tǒng)，無須懂得許多計算機專業(yè)知識。   
　　國外目前出現(xiàn)了許多專用的專家系統(tǒng)工具，開發(fā)某領(lǐng)域的專家系統(tǒng)基本上是運用開發(fā)工具來實現(xiàn)的，如1986年Hal．Lemmon等人開發(fā)的Comax棉花生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)。我國也出現(xiàn)不少專家系統(tǒng)工具，如陸汝鈴等人的“天馬”專家系統(tǒng)開發(fā)工具、呂民等的ASCS農(nóng)業(yè)專家咨詢系統(tǒng)開發(fā)平臺（1999）、周桂紅等人的通用農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)生成工具（1999）等。利用開發(fā)工具開發(fā)的專家系統(tǒng)已形成系列化，如美國Plant等人利用作物管理支持專家系統(tǒng)的外殼，開發(fā)出棉花生產(chǎn)管理CALEX／Cotton、桃樹園林管理CALEX／Peach、水稻生產(chǎn)管理CALEX／Rice等一系列專家系統(tǒng)。我國學者利用中科院合肥智能研究所刷制的“雄風”系列農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)工具，已開發(fā)出施肥、栽培管理、園藝生產(chǎn)管理、畜禽水產(chǎn)管理飼養(yǎng)、水利灌溉等專家系統(tǒng)，在全國20個省200多個縣推廣應(yīng)用，效果很好。
　　3 專家系統(tǒng)在灌溉管理中的應(yīng)用
　　20世紀70年代末期美國開始研究農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，至今已建成許多施肥、作物栽培管理、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖、水利灌溉等方面的專家系統(tǒng)。其中灌溉管理專家系統(tǒng)的研究主要有以下兩個方面。
　　（1）灌溉用水計劃 確定灌溉用水計劃需要的幾項基本信息是：土壤墑情、作物蒸發(fā)蒸騰量、地下水情況、水源情況等。這些數(shù)據(jù)往往需要根據(jù)已獲得的氣象、土壤等資料，通過繁瑣的計算才能獲得，原始材料不同，計算方法也不同，人工操作費時費工，容易出錯。專家系統(tǒng)可根據(jù)輸入的原始資料自動選擇計算方法來預測或預報目標信息，快速確定灌溉用水計劃，并且可以隨時總結(jié)用水情況；專家系統(tǒng)處理所需時間短，而且準確，適合于大型灌區(qū)及農(nóng)場運作。
   專家系統(tǒng)常被用來確定作物蒸發(fā)蒸騰量、灌溉日期、灌溉水量及土壤墑情。Plant等人開發(fā)的棉花生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)，共用15種方法來確定作物蒸發(fā)蒸騰量、灌溉日期及用水量，可以根據(jù)外界條件的變化隨時調(diào)整灌溉計劃。Srinvasan等人開發(fā)的ESIM灌溉管理專家系統(tǒng)，包括知識的獲取、系統(tǒng)規(guī)劃、任務(wù)的落實和評估，有效利用了圖表進行解釋和分析，根據(jù)用戶的需求制定固定的、調(diào)整的、要求的三種灌溉制度。D．Clarke等人采用CWR–VB程序來確定灌溉制度，提供了產(chǎn)量圖、氣象資料、ET值和土壤含水量等特征量。這些專家系統(tǒng)在應(yīng)用中收到良好的效果，證明是切實可行的。
　�。�2）灌溉系統(tǒng)輔助設(shè)計   由于各灌區(qū)的地理、氣候、土壤條件互不相同，采用的渠系布置和灌溉方式互不相同，因而有不同的灌溉系統(tǒng)設(shè)計方法。人工很難設(shè)計出盡善盡美的灌溉系統(tǒng)，而專家系統(tǒng)通過內(nèi)部的知識庫，利用豐富的知識可以解決規(guī)劃設(shè)計中的復雜問題。水利部農(nóng)田
灌溉研究所與合肥智能研究所合作開發(fā)的華北地區(qū)節(jié)水型農(nóng)業(yè)技術(shù)專家系統(tǒng)（NCWSA），針對華北地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)存在的問題，提出了節(jié)水型技術(shù)體系的總體規(guī)劃及實施的有關(guān)措施；Srinvasan等開發(fā)了多功能的專家系統(tǒng)，可用于各種情況下的灌溉系統(tǒng)的設(shè)計和運行。應(yīng)用專家系統(tǒng)進行灌溉系統(tǒng)輔助設(shè)計，可以進行渠系優(yōu)化布置，為灌溉管理提供各種咨詢服務(wù)，對于情況復雜的灌區(qū)很有幫助。
    4 構(gòu)建灌溉管理專家系統(tǒng)應(yīng)注意的幾個問題
　�。�1）突出多學科集成
     農(nóng)業(yè)是一個多方面的綜合體，影響因素繁多，時空差異和變異性大，生產(chǎn)穩(wěn)定性和可控制性差，易遭受氣候、氣象、病蟲害的侵襲，在用水管理中需要考慮這些因素�，F(xiàn)在國外已開始研制跨學科的綜合專家系統(tǒng)，Perry等人于1990年開發(fā)出關(guān)于大豆生長和水管理的聯(lián)合模型系統(tǒng)，用于作物生長、病蟲害、經(jīng)濟效益、環(huán)境影響的管理和評價；W．D．
Batche1or等人1992年開發(fā)的作物管理系統(tǒng)，既用于灌溉管理，也用于病蟲害防治。已開發(fā)的機械、營養(yǎng)、灌溉、除草、病情診斷、收獲、市場等方面的專家系統(tǒng)，有必要綜合在
一個大的專家系統(tǒng)內(nèi)，以發(fā)揮更有效的作用。多學科集成的想法正是適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要提出的，是專家系統(tǒng)必然的發(fā)展方向，也是灌溉管理專家系統(tǒng)研究中應(yīng)特別注意的問題。
　�。�2）面向多層次設(shè)計
   專家系統(tǒng)服務(wù)的對象并不都在同一個層次上，文化程度存在較大的差異，不同對象要求獲取信息的復雜程度不同，所操作的專家系統(tǒng)和輸出的內(nèi)容復雜程度也不相同，因此開發(fā)不同層次的專家系統(tǒng)（如面向灌溉管理專業(yè)人員、農(nóng)村技術(shù)人員、農(nóng)戶的灌溉專家系統(tǒng)）也是需要考慮的一個問題。
　　（3）注重多種技術(shù)的綜合運用
　　目前的專家系統(tǒng)在建模中多利用簡單的數(shù)學回歸模型，這些模型一般只考慮部分影響因素，而任何一個問題都可能受到更多因素的共同作用，因此建模時應(yīng)考慮多因素的影響。現(xiàn)在常用的建模方法所建的模型很難達到要求。目前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學、隨機模擬等多種技術(shù)的研究日趨成熟，將這些技術(shù)用于專家系統(tǒng)必然會增加其處理功能；尤其是在解決一些復雜問題時，人類專家也很難準確表達自己的想法，或者很難找出其規(guī)律，應(yīng)用這些技術(shù)可以幫助知識工程師解決問題。

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